Esplorazione della Terra: struttura interna e fenomeni magnetici

Metodi di studio della Terra

Come si studia l'interno della terra: Attraverso le onde sismiche. La composizione chimica-mineralogica e lo stato fisico degli involucri della terra si studiano con metodi indiretti che sono lo studio delle modalità di propagazione delle onde sismiche e la composizione dei magmi. Integrando densità, temperatura, energia emessa, intensità del campo elettrico e magnetico e dalla loro interazione si redige un modello unico che prevede tre involucri principali diversi tra loro: crosta, mantello, nucleo. Alcuni scienziati pensano che questi modelli si siano formati per decantazione (=depongono per stratificazione).

Densità e composizione della Terra

La Terra ha una densità uniforme: Gli scienziati, misurando la densità media della terra che è 5,5 g/cm^3 e delle rocce della superficie terrestre che hanno densità di 2,7 g/cm^3, sono giunti a capire che nel nucleo si deve avere una densità di 13 g/cm^3 per pareggiare i conti, cioè formato da metalli pesanti come ferro e nichel. Man mano che ci si avvicina al nucleo, i materiali diventano più pesanti e ciò si spiega attraverso la decantazione e studi sui meteoriti. Da questi studi, si è stabilito che la Terra è formata da tre involucri: crosta, mantello e nucleo.

Caratteristiche della crosta terrestre

• La crosta è una superficie rigida che presenta una notevole varietà di spessore e non è omogenea dal punto di vista chimico. Si suddivide in continentale, che ha rocce di composizione sialica(granito intrusivo, riolite effusiva) o intermedia(diorite intrusiva, andesite effusiva)(=rocce ignee). Le rocce sialiche o intermedie sono ricoperte anche da 5 km di spessore. Si trovano anche rocce metamorfiche. Lo spessore della crosta continentale ha una media di 35km, mentre quella oceanica è di 6-7km. La crosta continentale è formata da uno spessore esterno di rocce ignee e metamorfiche, da uno interno di rocce sedimentarie. La crosta oceanica è il pavimento dell'oceano ed è formata da rocce più femiche, tipo basalto, ricoperte da uno strato di sedimenti più sottili. La crosta oceanica (200 MILIONI DI ANNI) è più recente di quella continentale, tra le quali non esiste un limite netto.

Struttura e funzione del mantello

• Il mantello è formato da rocce ultrafemiche. Lo strato subito sotto la crosta si chiama mantello litosferico: il mantello litosferico e la crosta formano la litosfera sotto la quale abbiamo la astenosfera, zona dove si ha una bassa velocità delle onde sismiche. Qui le onde s pur rallentano non si estinguono quindi si pensa che questo sia uno strato elastico. La astenosfera si comporta come un fluido dove scivolano le placche. Il mantello ha una densità maggiore per la presenza di ossidi femici (ferro e magnesio).

Composizione e funzione del nucleo

• Il nucleo ha un raggio che è quasi la metà del raggio terrestre e la sua densità varietà dai 9,7 a 13 g/cm^3. Qui si trovano elementi pesanti come ferro, nichel, ed elementi leggeri come ossigeno, zolfo e silicio. Il nucleo esterno ha un comportamento fluido, mentre quello interno si comporta da solido ed è formato essenzialmente da ferro e nichel. Il campo magnetico terrestre si pensa sia generato dall'attrito tra nucleo interno ed esterno.

Si possono disegnare due modelli sulla struttura della terra, uno tenendo in considerazione la composizione chimica-mineralogica (sottile e leggero strato che è la crosta continentale- sottile e pesante strato che è la crosta oceanica- mantello costituito da silicati e profondità di 2900km- nucleo metallico formato da più ferro che nichel), un'altro tenendo in considerazione la composizione fisica dei materiali (litosfera rigida ed elastica che è l'insieme tra la parte solida del mantello e la crosta- dopo la litosfera abbiamo la astenosfera che è parzialmente fusa- mesosfera che può essere solida- nucleo distinto in esterno/fluido ed interno/solido). Di regola, il modello più importante è quello basato sullo stato fisico. La litosfera, astenosfera e mesosfera e nucleo esterno - interno sono attivati dal calore interno della Terra. La litosfera è l'involucro esterno della terra e ha profondità di circa 100 km, frammentata in diverse placche tettoniche o litosferiche. L'astenosfera è uno strato debole e duttile del mantello ch si trovo sotto la litosfera, si deforma per adattarsi ai movimenti orizzontali e verticali delle placche. Il mantello profondo contenente la mesosfera si estende da una profondità di 400 km fino al limite del mantello di 2900km. Il nucleo esterno è un involucro liquido, composto principalmente da ferro fuso e si estenda tra 2900km e 5500 km, mentre il nucleo interno è solido formato da più nichel che ferro e si estende da 2900km fino al centro della terra.

Propagazione delle onde sismiche

Lo studio delle onde sismiche: Se la terra fosse omogenea la propagazione delle onde sismiche sarebbe concentrica, mentre se la terra ha densità che aumenta nel centro le onde cominciano ad essere rifratte e quindi la loro traiettoria è curva (+ dimostrazione della densità della terra).

Superfici di discontinuità

Le superfici di discontinuità: Sono superfici che si osservano quando le onde sismiche vengono riflesse o rifratte in un certo punto della Terra e dipendono da un carattere mineralogico della terra. Le superfici di discontinuità importanti sono quella di Moho e quella di Gutenberg. La Moho separa la crosta dal mantello litosferico: in prossimità della moho si ha una forte accelerazione delle onde P e onde S, tra il limite mantello rigido e la crosta poiché il mantello è formato peridotiti(=rocce ultrafemiche e molto dense). Quella di Guntenberg presenta una diminuizione della velocità delle onde P mentre le onde S vengono fermate. Abbiamo anche molte superfici di discontinuità minori, tra cui la più importante è quella di Lehmann che separa il nucleo esterno liquido da quello interno solido.

Calore interno e flusso geotermico

Calore interno e flusso geotermico: Il calore stimanto all'interno della terra sia circa di 6mila gradi centigradi: il calore si disperde presso la superficie terrestre. La presenza di calore interno è provato dal fatto che la terrra emette una quantità di calore maggiore rispetto da quella che riceve dal sole. La quantità di calore emessa si misura in watt/m^2; la quantità di energia termica emessa da una unità di superficie terrestre in un secondo si chiama flusso geotermico ed equivale a 0,06 watt/m^2. L'origine del calore interno della terra è da riferire a due fonti: 1)il calore primordiale 2) la radioattività naturale delle rocce. Il calore primordiale è trasmesso lentamente a causa della cattiva conducibilità termica delle rocce. Il calore dato dalla radioattività naturale proviene da un 30% dal granito e un 70%dal mantello. Nel mantello ci sono meno minerali radioattivi ma ha una massa maggiore, quindi è per questo che la radioattività viene dal mantello. Il calore proveniente dal mantello si trasmette con tre modalità: per convezione (il calore si trasmette tramite cellule convettive), per conduzione (particella trasferisce alla particella vicina energia), per irraggiamento( avviene tramite radiazioni elettromagnetiche). Il gradiente geotermico è l'aumento espresso in gradi centigradi della temperatura ogni 100 metri di profondità, che equivale a 120°C.

Campo magnetico terrestre

Il campo magnetico terrestre: La terra ha un campo magnetico dipolare: simile a quello che può produrre una barra magnetica passante per il centro della terra, inclinata di 11° verso ovest rispetto l'asse di rotazione terrestre, che indica il sud magnetico, il quale si trova nei pressi del polo nord geografico. La direzione del campo magnetico terrestre o geomagnetico può essere definito,per convezione, dall'ago della bussola. Il campo magnetico può essere rappresentato attraverso le linee di forza del campo di Faraday. Quando si parla di campo magnetico diretto si intende che le linee di forza partono dal sud geografico per entrare nel nord geografico; si parla di campo magnetico inverso quando si verifica il contrario. In ogni punto il campo magnetico è tangente. La zona verso cui si estende il campo è detto magnetosfera, un'involucro che ci protegge dalle radiazioni cosmiche e in particolare dal vento solare. Per descrivere completamente un campo magnetico in un punto bisogna conoscere la declinazione magnetica, l'inclinazione magnetica e l'intensità del campo magnetico. La declinazione magnetica è un angolo misura dalla bussola di declinazione, cioè misurato su un piano orizzontale, e tale angolo si trova tra il sud magnetico e il nord geografico. L'inclinazione, invece, è l'angolo tra le linee di forza e la superficie terrestre; la densità di misura con il magnetometro, la sua unità di misura è il gauss (nel S.I. è il tesla_1G=10^-4 T). L'intensità media misurata sulla superficie terrestre equivale a 0,5G. Il campo magnetico è generato per il 95% da cause interne, o meglio dalla parte fluida del nucleo interno, mentre l'altro 5% è di origine esterna, o meglio per anomalie magnetiche, scambi elettrici nell'atmosfera, e sciami di particelle provenienti dal sole. Molte rocce, inoltre, generano un campo elettrico locale prodotto da minerali ferromagnetici (=ossido di ferro come magnetide ed ematide )che hanno la capacità di conservare la propria magnetizzazione a prescindere dal campo magnetico terrestre. Una roccia conserva la sua magnetizzazione permanente fino a quando la temperatura non raggiunge un punto critico, detto punto di Curie, di circa mediamente 500°C.

Importanza del paleomagnetismo

Paleomagnetismo: Esso è importante in quanto fornisce delle informazioni sulle paleodirezioni del campo magnetico e sulle inversiosi dei poli. Quando una roccia si forma può acquisire una magnetizzazione che sarà conforme al campo magnetico locale:si parla di magnetizzazione naturale residua. Il paleomagnetismo (debole) rappresenta attraverso la magnetizzazione naturale residua il campo magnetico terrestre che si è fossilizzato durante la sua genesi oppure durante la sua storia geologica: si chiamano rispettivamente magnetizzazione residua primaria e secondaria(=avviene nelle rocce sedimentarie e metamorfiche).

Dunque, esistono 1)magnetizzazione termoresidua: è acquisita dalle rocce magmatiche. Prima che la roccia si formi, i minerali elettromagnetici si orientano secondo la direzione del campo magnetico in quel luogo e in quel momento. Il ferromagnetismo è la proprietà dei materiali di conservare una propria magnetizzazione a prescindere dal campo magnetico esterno. I principali minerali ferromagnetici sono la: la magnetite (Fe3O4), ematide (Fe2O3), goethite (FeO-OH=idrossido di ferro), pirrotina (FeS=solfuro di ferro)

2)magnetizzazione detritica residua : si trova spesso nelle arenarie rosse che contengono un granulo di ferromagnetici su mille. Quando i granuli si depositano sul fondo fangoso, essi riescono ad orientarsi.

3)magnetizzazione chimica residua: è una magnetizzazione secondaria che si verifica nei processi diagenetici e metamorfici, dove eventuali nuovi minerali(=ossidi di ferro) possono essere sottoposti a magnetizzazione.